大型灰铸铁汽轮机缸体的铸造工艺设计

缉适FOUNDRYMARZU1VOI62NO3大型灰铸铁汽轮机缸体的铸造工艺设计孙鑫志，李玉德，苏文生沈阳铸锻工业有限公司，辽宁沈阳110142摘要针对大型HT250汽轮机缸体的壁厚差别大，尺寸精度和表面粗糙度要求高等诸多难点，进行了砂型和制芯工艺方案设计，对两种工艺方案进行了分析和选定，并就选定的造型工艺进行了浇口、冒口、冷铁工艺设计。结合缸体铸造工艺设计要求，给出了合箱、熔炼、浇注和热处理等工艺的控制要点。按照工艺方案成功地生产出了大型HT250汽轮机缸体铸件，铸件品质达到工艺设计要求。关键词汽轮机缸体；工艺设计；HT250；渗漏；粗糙度中图分类号TG25L文献标识码A文章编号10014977201303025203CASTINGPROCESSDESIGNOFLARGESIZEDGRAYCASTIRONSTEAMTURBINECYLINDER，SUNXIN。ZHI，LIYUDE，SUWEN_SHENG、SHENYANGCASTINGANDFORGINGINDUSTRYCO，LTD，SHENYANG110142，LIAONING，CHINAABSTRACTTHESANDMOLDANDCOREMAKINGSCHEMESHAVEBEENMADEACCORDINGTOTHECHARACTERISTICSOFTHE1ARGESIZEDSTREAMTURBINECYLINDERCASTINGSUCHASBIGTHICKNESSDIFFERENCESHIGHDIMENSIONALACCURACYANDSURFACEROUGHNESSREQUIREMENTSANDSOONTWOOFTHEMWEREANALYZEDANDONEWASSELECTED,ANDTHEGATINGSYSTEM，FEEDINGSYSTEMANDCHILLINGMETHODHAVEBEENDESIGNEDFORTHESELECTEDSCHEMECOMBININGWITHTHECASTINGPROCESSDESIGNSPECIFICATIONSFORCYLINDER,THEKEYCONTROLPOINTSOFTHEMOLDASSEMBLING,MELTING,POURINGANDHEATTREATMENTPROCESSESWEREPROVIDEDAFTERPUTTINGTHESCHEMEINTOPRACTICE，THELARGESIZEDHT250STEAMTURBINECYLINDERCASTINGHASBEENPRODUCEDSUCCESSFULLY,ANDTHECASTINGQUALITYMEETSTHEREQUIREMENTSOFTHEPROCESSDESIGNSPECIFICATIONSKEYWORDSSTEAMTURBINE；PROCESSDESIGN；HT250；LEAKAGE；ROUGHNESS缸体是汽轮机的关键部件，工作环境恶劣，承载高温、高压、高速的气流冲击，其结构复杂，由上下两半缸体组合而成，各自单独铸造。我公司生产的大型灰铸铁汽轮机缸体如图1所示，其轮廓尺寸为920MMX2600MM，壁厚40110MM，材质为HT250化学成分要求见表1，浇注质量14T；接合面法兰和装定子叶片的承接口环形成多处厚大热节，铸件表面粗糙度要求小于尺25IXM，铸件要进行全面的磁粉无损检测，不允许有缩孔和超级别的缩松缺陷，合箱操作中不允许使用芯撑。缸体加工完成后，上下半缸体对合后严格检查中分面法兰及12处承接口环的对接情况，要求所有部位错位不得大于3MM；要求缸体组织均匀，各处口环硬度差小于HB20；进行气密性试验，试验压力15MPA，持续30MIN不得出现渗漏。铸件不但要求有良好的内部质量和准确的尺寸精度，尤其对铸造表面粗糙度要求严格，工艺控制难度非常大，在制定铸造工艺方案以及工艺参数的设计过程中必须有针对性地采取措施。A缸体剖面内侧B缸体外观图1汽轮机缸体铸件图FIG1THEPICTURESOFTHESTEAMTURBINECYLINDER表1材质HT250的化学成分TABLE1CHEMICALCOMPOSITIONOFTHECYLINDER，1工艺方案及工艺参数确定11造型和制芯工艺确定该HT250缸体铸件表面粗糙度要求小于尺。25IXM，收稿日期20130206收到初稿，20130221收到修订稿。作者简介孙鑫志1965，男，高级工程师，长期从事铸铁生产管理工作。EMAILSYXINISINACOM铸造孙鑫志等大型灰铸铁汽轮机缸体的铸造工艺设计253加工余量要求上部为18IIILTI，下部为10MILL、侧部均为12MM。为了使铸件的尺寸精度、表面粗糙度达到要求，全部采用冷硬呋喃树脂自硬砂进行造型和制芯，并对型和芯的表面要做打磨处理。为了防止铸件产生粘砂、夹砂、砂眼等缺陷，在型和芯的转角处及铸型下部法兰平面部位使用锆英粉涂料，其他部位使用自制的水基涂料，涂料层厚度为0615MM。造型工艺的型砂要求树脂加入量为原砂的1214，固化剂加入量为树脂加入量的40，24H抗拉强度大于08MPA。同时，提高型和芯的紧实度，为实现无冒口铸造创造条件。12铸造工艺方案的分析和选定方案一将上下半缸体对口接合面放置在浇注位置的下部，内浇口从缸体一侧分层开设，铸造工艺图见图2。此方案的优点是法兰、口环等重要工作面处于浇注方向的下部，有利于保证质量，避免产生砂眼、气孔等铸造缺陷，满足粗糙度的要求，有利于实现缸体同时凝固，实现无冒口铸造，有利于排气、排渣。该方案缺点是不利于进行验箱和合箱。直内图2缸体铸造工艺图FIG2THECASTINGPROCESSDRAWINGOFTHECYLINDER方案二将缸体对口接合面放置在浇注位置的上部，口环等重要工作面向上，在法兰顶部设置出气冒口，内浇口从缸体一侧分层开设。此方案的优点是验箱、合箱方便，尺寸容易控制。缺点是法兰面、口环面质量不易保证，温度分布不均匀，同时容易产生冲砂缺陷。缸体加工部位较多，如何保证缸体口环、对接面的质量是工艺设计考虑的重点，方案一更有利于保证加工部位的质量，合箱环节要严格制定操作规程，严格控制芯子与型组装的尺寸，确保缸体尺寸精度，最终采取方案一。13浇注系统、冒口及冷铁的设计浇注系统由浇口箱、直浇口、横浇口、内浇口组成，根据该铸件的特点，浇注系统采用阶梯浇注系统，实现多股、快速充型，如图2所示。内浇口前使用陶瓷过滤网，使用过滤网不仅可以去除一次夹杂，净化铁液，而且还有稳定液流，防止浇注过程液流冲击型壁的作用。浇注系统各单元比经修正取1121431。内浇口的尺寸取值要保证其先于铸件凝固，铸件液态收缩量主要由浇口内的金属液来补充，可充分利用石墨化膨胀作用来实现自补缩，实现无冒口铸造，提高铸件的工艺出品率。为此，仅在铸件顶面均布8个出气冒口，排除上部脏铁液。铸件的对口法兰、承接口环等厚大部位冷却速度缓慢，在工艺设计中分别设置冷铁，提高冷却效率，保证铸件组织致密、硬度均匀。冷铁厚度为050，为热节尺寸。2工艺操作控制要点21缸体合箱操作的控制要点上下半缸体对接后尺寸要求严格，铸型尺寸控制与保证手段至关重要，对此，我们从以下几方面进行了控制。1上下半缸体基准重合。缸体的轴向、径向分别有一条基准线，这些是缸体的设计基准，也是缸体加工和装配基准，铸型装配时要将铸造基准与加工基准重合，避免因基准变换而引起误差，影响上下半接合的装配精度；2下芯前用样板校正芯头形位。造型、起模过程中可能导致芯头少量错位，下芯前必须用样板将芯头校正准确后方可下芯；3卡板重点检查1、2、3芯6处口环与基准在轴向、径向的定位关系，下芯后要用直角尺分别校验1、2、3芯与缸体轴向基准面的垂直度，芯子高度方向尺寸不合适要反复调整芯头。芯子组合好后，合上箱，检查缸体上部壁厚情况。22熔炼工艺的控制熔化设备使用20T中频感应电炉、7讹两排大间距冷风冲天炉和2个20T电动浇包。炉料配比为40废钢、40回炉铁、20生铁，采用双联熔化工艺，经增碳、锰、硅及铬等进行成分调节，最终得到合格铁液。这种方案的优点是少用生铁，降低了生产成本，可获得含磷量低的铁液，可减少生铁遗传性影响，铸铁石墨形态好，珠光体含量高，力学性能好，铸件断面敏感性小，铸造后残余应力小，尺寸稳定性好。在熔炼过程中，冲天炉前期熔炼要保证高温，尽可能多加入废钢，废钢不足时可在中频炉中加入；若成分不符合要求，可在中频炉中进一步调整，铁液在炉内升温到1500以上，进行短时间精炼10MIN左右可达到净化铁液的目的。炉前采用快速分析仪、254FOUNDRYMAR2013VOI62NO3三角试片等综合检测手段，原铁液三角试块白口宽度要求10MM一麻口，一次孕育处理后三角试块白口宽度要求达到68MM。由于铸件重量大，外形复杂，壁厚不均，为了保证铸件的致密与强度加入0103的铬。实践表明，在灰铸铁件生产中，当铁液中的硫含量低于007时，石墨形态差，孕育效果也差。保持硫含量在007012范围对改善铸件的性能是有益的，可以改善并细化共晶团，改变石墨的形态，使石墨的长度变短，末端变钝，形态变得弯曲，同时还能显著改善切削加工性能。但锰含量不能低，因为锰与硫形成硫化锰MNS，适量硫化锰的存在将成为结晶晶核。若铁液含硫量低于007，可加硫化铁来提高含硫量。23浇注工艺要点231浇注工艺控制浇注温度控制在131010。浇注时铁液始终充满浇口箱，要在浇口箱中做挡渣设计图3，防止渣进入型腔，铸型充满后要进行补浇，补充液态收缩的不足。若温度不符合浇注温度要求，需倒包降温。图3浇口箱结构图FIG3STRUCTUREDIAGRAMOFPOURINGBASIN2_3_2强化孕育在出铁液时，随流加入FESI75孕育N0103，粒度L014MM，加入时间为出铁时间的8090，铁液处理后，每包铁液加入块度为80100MM的FESI75孕育剂01，浇注时随流加入粒度为O520MM的高效硅钡孕育剂O1。浇注时要确保铁液始终充满浇口箱，避免因浇包中的浮渣进入型腔而产生夹渣缺陷。24热处理工艺为了保证铸件尺寸稳定性好，要求铸件的残余内应力小，铸件加工前要进行消除应力的热处理。消除应力的热处理工艺规范见图4。图4热处理丁艺规范FIG4THEHEATTREATMENTTECHNICS3生产验证冷使用本工艺生产8件HT250汽轮机缸体，其化学成分、力学性能、金相组织、铸件的尺寸精度、耐压试验和磁粉无损探伤检验都达到了要求，质量完全符合设计质量要求。缸体力学性能检测结果如表2所示，检测试棒尺寸为050MMX350MM。在缸体附体试棒上取样进行金相组织观察，其组织中细片或中等片状珠光体95，片状石墨长度为1520M，碳化物磷共晶1。由生产实